使用多个VNA进行简单天线表征

shuszhao

本文介绍了如何通过可借助LAN接口远程操控的一组两个单端口矢量网络分析仪，实现简单天线特性的低成本标量传输测量。文中包括了实际测量结果，显示了如何以非常有限的投资，进行天线方向图和天线增益测量。
天线测量通常昂贵且复杂，并且花费很长时间才能显示结果。虽然VNA是当今用于测量频率相关参数的标准工具，但它的缺点是为了将VNA端口扩展到理想位置时，几乎都会引发电缆损耗等问题。
然而，正如文中所描述的项目，诸如Anritsu MS46121A单端口分析仪之类的VNA，可以作为简单天线测量的有价值且可承付的工具，其测得的天线特性接近制造商的规范指标。


学术研究计划

该项目的背景是亚琛大学(RWTH Aachen University)高频技术研究所的一名学生进行的研究，并由Anritsu GmbH提供支持。
该研究生的任务是设计和开发一款步进电机硬件概念和控制软件，用于被测天线的方位旋转控制。另一个要求是在MATLAB环境中对天线辐射方向图(radiation pattern)和天线增益进行可视化处理。
Anritsu提供了该项目所需的VNA硬件、步进电机、一个天线三脚架和Schwarzbeck USLP 9142天线。亚琛工业大学负责项目的设计、开发和实现。在2015年德国微波会议上成功进行了演示后，双方同意扩大该项目以取得一些实际成果。


实验设置

MS46121A是一款功能齐全的单端口USB矢量分析仪模块，包括时域测量功能。测试工程师可为其添加第二个模块，以便执行标量传输测量，如S21测试。在这种设置中，任一个模块都可用作激励源，另一个模块作为完全向量校正(校准)的接收器。对于天线测量概念，这两个模块就足够了。对于像多频带天线测试等复杂应用，可以使用多达16个VNA模块；一个用作激励，剩下的15个作为接收器。
该系统由用户使用安装Windows 7，或更高版本操作系统的外接PC或笔记本电脑进行控制，Anritsu免费提供了ShockLineTM VNA软件。MS46121A选项(021)使能标量测量(| S21 |，| S12 |)功能，其中每个附加模块显示为单独的物理测量通道。激活的选定通道始终是激励源。可以通过响应菜单(S11，S22 ... S16 16)选择接收端口。
另一个选项(002)提供具有时间门控功能的带通和低通时域测量，可用于测量诸如故障距离或阻抗等参数。
对于天线的测量，VNA基准是动态范围、激励功率和测量扫描。限制动态范围的主要因素之一是使用长的VNA测试端口电缆时，存在固有的高插入损耗和有限的VNA激励功率。
理想的设置是将VNA硬件直接连接到天线，而无需任何电缆，并且通过借助以太网LAN链路展延到PC的低成本USB集线器传输测量数据。以这种方式，可以避免不必要的损耗，并节省昂贵的长的测试端口电缆的开支。结果，是动态范围得到改善。使用+3dBm(> 23.2MHz至4GHz)激励功率时，天线旁瓣在高达3GHz频率范围内，都可以下降到-30dB水平；在距离天线10m内，这种设置都可进行预期的天线表征。


天线特性

必须测量的关键天线特性(图1)为：
•辐射方向图；
•天线半功率波束宽度(HPBW)；
•天线旁瓣；
•天线增益。
图1：主要天线特性。
增益测量需要与其对应的方向图测量基本相同的环境。为了测量高于1GHz的天线增益，通常使用消音室。在0.1GHz和1GHz之间，使用地面反射范围。
在本项目范围内，有三种不同的增益测量技术可用。前两者是所谓的“绝对增益”测量：双天线方法和三天线方法；而第三种是增益转移(或增益比较)方法。
双天线方法基于Friis传输方程，需要待测天线的两个相同样本：一个作为辐射天线，另一个作为接收天线。
当只有一个测试天线样本可用时，使用三天线方法。然后，可以使用任何其它两个天线来执行三个测量，这允许计算所有三个天线的单独增益。所有三个测量都在辐射和发射天线之间固定的已知距离下进行。


天线阻抗

通过其端子处的反射系数来计算天线的输入阻抗，端子连接到已知特性阻抗的传输线。如果得知反射系数的大小和相位，就可以算出天线输入阻抗。
由于实际的匹配条件，天线增益会因为天线输入阻抗与特性阻抗的不匹配造成的损耗而减少。在减损后得到的增益称为实际(realised)增益。 以我们的例子来看，在测量增益时，使用直接连接到USLP 9143对数周期性的待测天线，该天线被连接到草坪上的三脚架。在700至2000MHz之间，以100MHz的步长、中频带宽为100Hz、激励输出为+3dBm等条件下，为频率范围进行校准。


户外天线范围

天线测量点或天线范围可分为户外范围或室内范围(消声室)。根据测量原理，它们还可分为反射范围、自由空间范围和紧凑范围。对于此类项目，可以使用类似所谓的升高(elevated)或倾斜(slanted)范围的无反射传播的自由空间范围。
在测量时，天线放置在接近远场条件的弗劳恩霍夫(Fraunhofer)距离处。将待测天线和仪器天线分开这一距离，足以为平面波途径减小接收前导波的相位波前变化。


天线测试设置

根据给定的室外环境，倾斜范围可根据边长为10.35m的等边三角形与待测天线位于下坡顶点等条件加以调整。其中一个单端口VNA模块直接连接到安装在Zaber旋转台上的USLP 9143对数周期天线；另一个连接到也固定在三脚架上的TDK精密对数周期天线(充当照明器)。
目的是在四个独立频率(700、800、1000和2000MHz)验证天线方向图和增益。
待测天线安装在三角形的顶点，“照明器”在相对一侧、标准增益号角天线在另一侧。这种布置确保了以后计划的增益测量不需要做机械改变。距离及相关的自由空间损耗(FSL)是恒定的，并且只需要与激光器重新对准就可以从天线方向图切换到天线增益测量。
使用MATLAB脚本，通过ShockLine GUI软件和Zaber步进电机，即可控制ShockLine VNA模块。


测量结果

典型的增益结果如表1和表2所示，而图2和图3中的辐射方向图则被归一化为瞄准(bore sight)方向上的最大值，并用跨度为3的平均移动滤波器实施了平滑处理。
表1：USLP 9143所用的增益计算方法之间的定性差异。
表2：SAS-571的给定和算得增益之间的定性差异。
*图2：待测天线的相对增益(USLP 9143)。 *
图3：天线辐射方向图结果。
将结果与USLP 9143的供应商规范比较后表明，形态和形状是匹配的，但测得结果比供应商给出的结果要“坎坷”、不那么平顺。这是由非理想环境(到大地的距离、靠近测量区域的照明桅杆、建筑物等)导致的反射造成的。


结论

该测量项目的目的是证明：使用有源USB到LAN转换器、长距离连接Anritsu ShockLine单端口USB VNA MS46121A模块，在“非理想环境”下进行自由空间天线测量的可行性。
计划的结果是供应商的USLP 9143规范与天线辐射方向图测量结果和实现增益之间的定性比较。结果显示，即使在远非测量天线特性的最佳环境中，对测试和测量硬件的有限投资也可以提供相当准确的结果。实验设置非常适用于VHF和UHF应用，这些领域的工程师为证明天线设计，对快速获得测试结果感兴趣。

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